传热学三分螺旋折流板换热器.

中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7三分螺旋折流板换热器陈亚平(13851729402,[e-mail])•换热器(热交换器)是实现能量传递转换的设备，绝大多数都是管壳式换热器（70%左右）。•管壳式换热器的优点是适合高温高压、处理量大、适用性强、制造方便、结构简单。•虽然其紧凑性不如板式换热器和板翅式换热器等。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7弓形折流板换热器传统弓形折流板管壳式换热器存在有流动死区、流动阻力较大、传热系数较低、以及在缺口处管束支撑跨距较大，容易诱导管束振动破坏等缺点。死区中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7弓形折流板换热器中的流动螺旋折流板换热器中的流动中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7理想（连续）螺旋折流板换热器•理想螺旋折流板是曲面，制造困难。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7捷克的Lutcha,J.等发明的1/4扇形折流板方案特点：以倾斜平板替代螺旋曲面板。适合用于正方形排列管束方案，用于正三角形排列管束方案时不方便，而后者占管壳式换热器的绝大多数。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7HDSfeed/effluentHelitower—Germany.中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7TheHelixchangerwasinventedanddevelopedintheCzechRepublic.Sincetheyear1994,ABBLummusanditslicenseesofferengineeringandmanufacturingservicesfortheHelixchangeronaworldwidebasis.Someinterestingexamples:•bitumen–crudeexchangerintheNetherlands,•debutanizerreboilerintheUSA,•crude/hotburnsexchangerinSouthArabia,•coolingwater/hydrocarboninBelgium,•bottoms/steamreboilerinSouthAfrica,•crudeoverheadcondenserinCanada,etc.ShelldiametersandtubelengthsofmanufacturedHelixchangersrangefrom203to1,950andfrom1,700to21,000mm,respectively.)中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7螺旋折流板换热器防止结垢的效果•弓形折流板使用6个月后•螺旋折流板使用一年后中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7正方形排列管束正三角形排列管束对于正三角形排列管束怎么办？中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7相关类比中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7东南大学陈亚平团队的工作成果•三分螺旋折流板换热器结构，设计了1/3分区布管和周向重叠折流板布管方案；•分析了三角区流体流动方向，指出非连续螺旋折流板换热器的性能可能优于连续性螺旋折流板换热器；•指出轴向搭接开启了指向下游通道的捷径，是一种不合理的设计；•基于试验研究结果，提出了当量螺旋角决定传热性能的观点；•数值模拟研究了二次流和三角区的泄漏。•编制了界面友好的螺旋折流板换热器设计程序。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7陈亚平提出三分螺旋折流板方案a.1/3分区布管;b.中心无管位;c.中心布管周向重叠三分螺旋折流板的对称方案投影图不对称对称，扇形折流板对称，扇形折流板中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7相关专利申请(发明人：陈亚平)•发明专利申请：–三分椭圆螺旋折流板管壳式换热器：申请日期：2008-08-1，申请号：200810020967.0–一种三分之一扇形螺旋折流板管壳式换热器：申请日期：2008-11-7，申请号：200810195216.2中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7三分螺旋折流板换热器1-壳体；2-管束；3-管板；4-折流板；5-进、出口接管三分扇形螺旋折流板管壳式换热器本体1/3分区布管中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7三分螺旋折流板周向重叠管束中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/71/3椭圆折流板(左)1/3扇形折流板(右)LcLcDDθLdLcLdθLcLaDLaLdLcLdLcDDDLaLaLdθLdLcLcLdLdθLcLcLcLcDD中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7三角区的泄漏上、下游通道截面之间V型缺口的漏流在三角区，k级通道流体向上一级k-1级流动，但上级压力较高流体亦可能反向漏流流体在三角区向上一级的流动使得流速增大，且使折流板壁面上的边界层间断，有利于强化传热。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7折流板轴向搭接时上、下游截面之间X型缺口处的漏流貌似泄漏面积减少，但存在指向下一级的漏流捷径，必然影响绕行主流的传热可见轴向搭接不利于强化传热！这是由陈亚平首先提出的观点。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7倾斜折流板钻孔及加工圆弧边用的工装从效率角度折流板倾斜角应取30°~45°大角度，但从制造角度又不希望倾斜角太大（国内大型换热器通常取15°以下）。倾斜折流板的传统加工方法是钻孔要用钻模或先用键槽铣刀铣平面；每个规格、角度都要做一套工装模具。加工工艺复杂、困难是螺旋折流板换热器普及推广的障碍。现已找到解决问题的钥匙！--（专用数控激光切割设备）板平放，激光光束倾斜，加工速度快，孔和边一次性解决，无需制作模具，下料废料少。类比将印刷术升级为激光照排。“一种螺旋折流板换热器扇形折流板的加工方法”，发明专利申请，201210052911.x，发明人：陈亚平折流板圆弧边的加工亦比较困难，用立车或大型镗铣床中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7图1水-水传热试验系统流程图水泵下水箱质量流量计电加热器电加热器上水箱质量流量计板翅式换热器(由风洞冷却)试验件水泵补水中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7图6试验件管芯照片单头螺旋•20°•24°•28°•32°双头螺旋•32°弓形中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7图7周向重叠折流板的投影图中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7水-水换热：倾斜角10°-20°图例：数字是倾斜角；s-扇形；e-椭圆；d-轴向搭接；seg-弓形•图6总体传热系数随壳侧流量的变化160020002400280032001000300050007000900011000Mo/kgs-1K/Wm-2K-1seg20°24°28°32°2-32°中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7图7壳侧压降随壳侧流量的变化51015202530354045505512345Mo/kgs-1Δpo/kPaseg20°24°28°32°2-32°中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7图9壳侧换热系数随壳侧压降的变化200060001000014000180000102030405060Δpo/kPaho/Wm-2K-1seg20°24°28°32°2-32°中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7图13ho/Δpo综合指标随壳侧流量的变化3004005006007008009001000110012345Mo/kgs-1hoΔpo-1seg20°24°28°32°2-32°中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7图14(ho/Δpo)/(ho/Δpo)seg指标随壳侧流量的变化11.21.41.61.822.212345Mo/kgs-1(hoΔpo-1)(hoΔpo-1)-1seg20°24°28°32°2-32°中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7结论•(1)三分螺旋折流板方案是非常适合正三角形排列布管的换热器方案；折流板周向重叠能抑制相邻折流板三角区的逆向漏流，是强化传热的有效手段。周向重叠三分螺旋折流板换热器能同时满足以上两个条件，有效地改善传热性能。•(2)试验结果表明，20°倾斜角的周向重叠三分螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器相比不仅壳侧压降减小而且壳侧换热系数亦可提高，其单位压降的换热系数综合指标接近翻倍；但其它倾斜角方案的换热系数则低于弓形折流板换热器方案，尽管压降都较低。•(3)双头周向重叠三分螺旋折流板方案的换热系数和单位压降的换热系数综合指标都优于相同倾斜角的单头周向重叠三分螺旋折流板方案，虽然压降有所增大。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7在相邻折流板的三角区有一排管子形成阻尼作用。这对于减小逆向泄漏有利。流动方向螺旋流动方向在相邻折流板的三角区处流体由下而上携速度动压头向上游通道流动，但遇到逆向漏流的顶撞。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7(a)bafflesandrods(b)bafflesandtubebundle(c)shellFig.2Structureofcircumferentialoverlaptrisectionhelicalbaffleheatexchanger(cothSTHX)中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7(a)mainview(letters-IDofslices;numbers-IDofplates)(b)leftview(M-meridian;E-eccentriclongitudinal;H-hexagonal;number-ID)Fig.3Sectionsoftheheatexchangershownfrommainviewandleftview中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7Fig.4Meshgridsontheleftviewofthetrisectionhelicalbaffleheatexchanger(left–sideview,right–zoomedview).中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•Fig.6Transverseslicesofonepitchcyclebetweensectionscandd中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•Fig.7Velocitydistributionsontransverseslicesc1-dofasinglepitchcycleXY-0.06-0.04-0.0200.020.040.06-0.06-0.04-0.0200.020.040.06velocity-magnitude1.51.31.10.90.70.50.30.1Frame00112Dec2010titleXY-0.06-0.04-0.0200.020.040.06-0.06-0.04-0.0200.020.040.06velocity-magnitude1.51.31.10.90.70.50.30.1Frame00112Dec2010title中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•Fig.9VelocityvectorsandpressurenephogramonthelongitudinalplaneE1(plateNo8~13fromlefttoright)中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•Fig.10Velocityvectorsandpressure(Pa)nephogramsonsixtransverseslicesinasinglepitchcycleXY-0.06-0.04-0.0200.020.040.060.08-0.06-0.04-0.0200.020.040